季冻区玄武岩纤维复合改性透水沥青混合料路用性能研究

齐 琳， 刘美鸥

(1.沈阳城市建设学院 土木工程系， 辽宁 沈阳 110167； 2.沈阳建筑大学 交通工程学院， 辽宁 沈阳 110168)

透水沥青路面具有良好的排水性能，能够排除路面积水解决城市内涝问题；抗滑性能好，提高车辆雨天出行的安全性；通过减弱车辆轮胎和道路表面的空气泵作用降低弱噪声污染[1-3].由于透水沥青路面大孔隙特点，用于透水路面的沥青应具有较强的黏结力和耐久性.国内外学者进行了大量尝试，如在基质沥青中掺入树脂、TPS高黏改性剂、橡胶等制成高黏改性沥青，使沥青黏度增大，从而提升了透水沥青混合料的高温稳定性与水稳定性，但是对于低温性能的提升作用较小[4-5].东北季节性冻土区夏季高温、冬季寒冷，春秋时间较短，冬季气温最低可达到-32 ℃，路面极易受到温度变化的影响产生开裂，松散等病害.与密级配沥青路面相比而言，透水沥青路面因其骨架结构更易受到温度、水与行车荷载耦合作用的影响产生病害，所以对透水沥青混合料的低温和水稳定性能要求更高.

玄武岩纤维是一种绿色环保的矿物纤维，常被当作添加剂和改性剂掺入沥青混合料中，用来提高沥青混合料的路用性能.玄武岩纤维掺到沥青混合料中可以起到加筋、吸附、稳定、增黏等作用，特别是对提高沥青混合料的低温抗开裂性有明显效果[6-8].研究人员探究了木质纤维、聚酯纤维、玄武岩纤维等材料的加入对沥青混合料路用性能的影响.王安[9]在SMA-13混合料中分别掺入6 mm玄武岩纤维、木质素纤维和聚酯纤维，对比分析出玄武岩纤维对SMA-13混合料各项路用性能改善效果最佳.韦佑坡等[10]在AC-13 混合料中加入玄武岩纤维，发现沥青混合料的高温性能和水稳定性均有所改善.Arash Davar等[11]对玄武岩纤维与硅藻土复合物改性沥青混合料的抗疲劳和低温性能进行了研究，发现玄武岩纤维对于提高沥青混合料的抗疲劳作用较小，但两种材料复合改性可以显著提高沥青混合料的低温性能.

结合玄武岩纤维能够改善沥青混合料的低温性能和水稳定性能的特点，针对透水沥青混合料在低温性能和水稳定性能的不足，本文提出玄武岩纤维与高黏改性剂复合改性，研究透水沥青混合料的路用性能.首先将玄武岩纤维、高黏改性剂与基质沥青制成复合改性沥青，研究其性能指标，然后进行配合比设计，进而验证复合改性透水沥青混合料的路用性能.通过制备玄武岩纤维与高黏改性剂不同掺配比下的复合改性沥青，制做复合改性透水沥青混合料试件，对不同油石比下的复合改性透水沥青混合料进行车辙试验、小梁弯曲试验和冻融劈裂试验，分别评价其高温稳定性、低温抗裂性以及水稳定性，进行渗水系数测试试验评价其排水能力.通过路用性能试验的对比研究，确定其最佳掺配比并推荐油石比.

1 原材料与性能指标

1.1 原材料

表1 基质沥青技术指标

表2 玄武岩纤维技术指标

1.2 粗集料、细集料和矿粉

采用玄武岩作为粗集料，由3档料组成，分别是9.5～13.2 mm、4.75～9.5 mm、2.36～4.75 mm.细集料为碱性的机制砂，规格为0.075～2.36 mm.矿粉采用磨细的石灰岩，占透水沥青混合料级配组成的5 %(质量分数).

1.3 复合改性沥青制备工艺

采用高速剪切机制备玄武岩纤维复合改性沥青，室内试验制备步骤如下：

(1) 将基质沥青放入烘箱中加热至(180±5) ℃，然后放入高黏改性剂.

(2) 将高黏改性剂与基质沥青以13 000 r/min的转速恒温剪切15 min，然后以22 000 r/min的转速恒温剪切15 min.

(3) 将试样放入180 ℃恒温烘箱中溶胀10 min后取出，将玄武岩纤维搅拌投入溶胀后的沥青中，以22 000 r/min的转速恒温剪切20 min，观察沥青由流动状态到出现明显的沥青泡表明复合改性沥青制备完成.为达到最佳剪切效果，建议剪切1 h左右，控制剪切温度在180 ℃左右.

根据上述方法制备复合改性沥青，其中玄武岩纤维掺量为纤维质量与基质沥青质量的比值，用质量分数表示为0、1 %、2 %；高黏改性剂掺量为改性剂质量与基质沥青质量的比值，用质量分数表示为12 %，试验试样3组.对两种改性材料不同掺配比下复合改性沥青的技术指标进行试验测试，测试结果见表3.由软化点、135 ℃黏度数据可知3种复合改性沥青的高温性能良好；根据5 ℃延度和沥青弯曲蠕变劲度试验(BBR试验)数据确定低温等级温度均低于东北季冻区城市的日均最低温度(见表4).所以3种复合改性沥青均可应用于东北季冻地区使用.

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表3 复合改性沥青技术指标

表4 东北季冻区气候条件

2 级配的选择及配合比设计

2.1 透水沥青混合料级配设计

吴金航[12]通过正交试验对16组透水沥青混合料配合比进行测试、分析，发现2.36 mm孔径的通过率对透水沥青混合料空隙率的影响起决定作用，并建立了预估空隙率与关键筛孔通过率二者的回归方程式如下：

y=29.113+0.040 3P13.2-0.02P9.5-

0.678P2.36-0.874P0.075-

0.037Pδ(R2=0.900),

(1)

y=29.990+0.040 1P13.2-

0.677P2.36-0.878P0.075-

0.036Pδ(R2=0.881),

(2)

y=28.724+0.04P13.2-0.677P2.36-

0.878P0.075(R2=0.879),

(3)

y=32.470-0.677P2.36-0.878P0.075

(R2=0.876),

(4)

y=27.644-0.677P2.36(R2=0.874).

(5)

式中：y为混合料空隙率,%；P13.2为13.2 mm筛孔通过率,%；P9.5为9.5 mm筛孔通过率,%；P2.36为2.36 mm筛孔通过率,%；P0.075为0.075 mm筛孔通过率,%；Pδ为4.75 mm与2.36 mm筛孔通过率之差,%.

根据《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40—2017)，透水沥青路面的目标空隙率为18 %～25 %.考虑东北季冻区气候和降雨量条件，为保证路面良好的排水性能及耐久性，拟定透水沥青混合料的预估空隙率为(20±1) %.按公式(5)计算，当空隙率为19 %时，P2.36=12.77 %；当空隙率为20 %时，P2.36=11.29 %；当空隙率为21 %时，P2.36=9.81 %.透水沥青混合料2.36 mm孔径的最佳通过率范围是9.81 %～12.77 %，根据筛孔通过率计算结果及《透水性沥青路面技术规程》(CJJ/T 190—2012)，确定具体级配曲线并选取合成级配曲线作为本文研究级配，如图1所示.

图1 透水沥青混合料级配曲线

2.2 配合比设计

根据图1中合成级配曲线，拟定油石比(沥青与矿料质量比的百分数)范围为4.4 %～5.8 %，对3种复合改性透水沥青混合料进行配合比设计，进而确定各掺配比下混合料的最佳沥青用量[13].选取5个不同油石比分别为4.4 %、4.7 %、5.1 %、5.5 %、5.8 %，在高黏改性剂掺量为12 %的条件下，对不同玄武岩纤维掺量(0、1 %、2 %)、不同油石比下的复合改性透水沥青混合料进行成型马歇尔试验、析漏试验和飞散试验.

不同玄武岩纤维掺量下复合改性透水沥青混合料的飞散和析漏试验曲线如图2、图3所示.试验结果根据《透水性沥青路面技术规程》(CJJ/T 190—2012)要求，透水沥青混合料的飞散损失指标≤15 %、析漏损失指标≤0.3 %、马歇尔稳定度≥3.5 kN.利用作图法确定混合料的最佳沥青用量(质量分数)，并测试混合料马歇尔稳定度指标，试验结果如表5所示.

图2 复合改性透水沥青混合料肯塔堡飞散试验曲线

图3 不同高黏改性剂与玄武岩纤维掺配比的复合改性透水沥青混合料析漏试验曲线

表5 不同玄武岩纤维掺量下复合改性透水沥青混合料配合比设计结果

从图2、图3与表5中数据分析可知：对高黏改性剂与玄武岩纤维掺配比为(12 %，0)、(12 %，1 %)、(12 %，2 %)的复合改性透水沥青混合料进行飞散和析漏试验后，通过作图法得到最佳沥青用量分别为5.2 %、5.1 %和5.0 %(质量分数).随着玄武岩纤维掺量的增加，预估空隙率上下限值内，复合改性透水沥青混合料的油石比范围限值增加；飞散损失值逐渐减小，析漏损失值逐渐增大；马歇尔稳定度先增大后减小.说明玄武岩纤维掺入会对混合料的空隙率产生一定影响，同时在混合料中起到了加筋、吸附和增黏的作用，增强了复合改性沥青与集料间的黏结作用.

3 复合改性透水沥青混合料路用性能分析

为了方便进一步研究复合改性透水沥青混合料的路用性能规律，在确定混合料最佳沥青用量的基础上，选定油石比分别为4.4 %、4.7 %、5.1 %、5.5 %、5.8 %对3种复合改性透水沥青混合料进行路用性能试验验证分析.

3.1 高温性能

采用车辙试验对复合改性透水沥青混合料的动稳定度进行测试，以动稳定度指标评价在高黏改性剂掺量为12 %条件下，考察不同玄武岩纤维掺量及不同油石比对复合改性透水沥青混合料高温性能的影响.试验结果如图4所示.由图4可以看出：在不同玄武岩纤维掺量下，复合改性透水沥青混合料的动稳定度随着油石比的增大，呈现先增大后减小的趋势.当高黏改性剂掺量为12 %时，掺入1 %玄武岩纤维的复合改性透水沥青混合料的动稳定度在油石比为5.1 %的情况下达到最大，为8675次/mm.而当油石比为5.1 %时，动稳定度随着玄武岩纤维掺量的增大，先增大后减小，(12 %、1 %)动稳定度>(12 %、2 %)动稳定度>(12 %、0)动稳定度，说明掺入玄武岩纤维可以提高混合料的动稳定度，车辙深度明显减小.玄武岩纤维掺量增大动稳定度下降的原因是本文采用“湿法”工艺制备的复合改性沥青在相同油石比下，纤维掺量增加，而沥青含量下降，在与集料拌和后，复合改性透水沥青混合料内部分集料间形成薄弱连接，导致混合料的动稳定度下降.

图4 车辙试验结果

3.2 低温性能

沥青路面的主要破坏形式之一是低温开裂，是道路建设中普遍存在的问题.尤其是东北季冻地区的透水沥青路面，因其大空隙率特点，承受长期荷载、水和温度变化等因素的综合作用，路面容易出现开裂破坏.路面产生裂缝后，水分会沿着路表裂纹渗入下层，引起基层乃至路基的破坏，最终导致路基路面结构承载力下降，降低透水沥青路面的使用寿命[14].本文根据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20—2011)采用小梁低温弯曲试验方法对不同油石比、不同玄武岩纤维掺量下的复合改性透水沥青混合料的低温抗开裂性能进行研究.将车辙板按照规程中T 0703—2011的试验方法切割成尺寸为长250 mm、宽30 mm、高35 mm的小梁试件进行低温试验，试验结果如图5所示.

图5 低温小梁弯曲试验结果

由图5分析可知：不同玄武岩纤维掺量下复合改性透水沥青混合料的抗弯拉强度和最大弯拉应变随油石比的增大而增大，说明随着混合料中复合改性沥青含量的增加，复合改性透水沥青混合料在低温状态下抵抗破坏的能力增强.当油石比较小时，高黏改性剂掺量与玄武岩纤维掺量的掺配比为(12 %，0)时，混合料中无玄武岩纤维掺入，复合改性透水沥青混合料空隙率较大，空隙间沥青的黏结力较弱；掺配比为(12 %，1 %)和(12 %，2 %)时，混合料的抗弯拉强度和最大弯拉应变有明显的提升.说明掺入玄武岩纤维，可以帮助低温状态混合料抵抗裂缝在荷载作用下的进一步扩展；也可以抵御在加载过程中集料间由于应力集中产生的弯拉破坏.

当油石比从4.4 %增加到5.5 %时，掺配比为(12 %，0)、(12 %，1 %)、(12 %，2 %)的最大弯拉应变分别增长了34.5 %、56.1 %、57.6 %；当油石比从5.5 %增加到5.8 %时各掺配比下的最大弯拉应变快速增加，增长幅度分别为18.8 %、17.3 %、22.8 %，说明增大油石比和玄武岩纤维掺量可以改善复合改性透水沥青混合料的低温性能.在东北季冻地区铺筑透水沥青路面时，混合料的沥青用量不应局限于规范中以析漏试验确定的最佳沥青用量及限值的要求.

3.3 水稳定性

在东北季冻区，沥青路面发生水损害普遍存在.透水沥青路面空隙率较大，沥青在集料间的填充程度较差，春融季节路面在水以及汽车荷载的反复作用下，沥青面层空隙中不断产生动水压力，加剧路面原有裂纹的进一步扩展[15]，促使水份逐渐渗入到沥青与集料的界面区域，降低沥青与集料的黏结力，进而导致沥青从集料表面剥离，发生掉粒、松散、坑槽等病害现象.

透水沥青混合料与密级配沥青混合料相比空隙率较大，如果冻融时间过长，会导致其性能受到较大影响，因此文章通过TORRIE温度传感器观测试件在冻融循环状态下温度随时间变化规律，如图6所示.根据图6数据对冻融劈裂试验条件进行改进：第1组试件按规范方法真空饱水15 min，使水完全充满混合料结构内部空隙，形成完全饱水状态，在-18 ℃条件下冷冻6 h后取出放入60 ℃水浴中保温2 h；第2组试件常温放置；最后将两组试件在25 ℃水中恒温放置2 h.以此试验条件进行冻融劈裂试验，对复合改性透水沥青混合料水稳定性能进行评价.试验结果如图7所示.由图7可知：在高黏改性掺量为12 % 条件下，玄武岩纤维掺量为1 %和2 %的复合改性透水沥青混合料的冻融强度劈裂比随油石比的增大呈现先增大再减小的趋势.而不掺玄武岩纤维的复合改性透水沥青混合料的冻融强度劈裂比随油石比的增大而增大，当油石比大于5.5 %时，增长幅度减小.当油石比为5.5 %，掺配比为(12 %，1 %)时，复合改性透水沥青混合料的冻融强度劈裂比达到92.32 %，比玄武岩纤维掺量为0时增大了3 %.说明增大混合料中油石比和玄武岩纤维掺量都可提高复合改性透水沥青混合料的水稳定性，但玄武岩纤维掺量要在合理的范围内使用，过量的纤维掺入会影响沥青与集料之间的黏结平衡，拌和时易凝结成块状，从而降低混合料的水稳定性.

图6 温度-时间变化规律

图7 冻融劈裂试验结果

3.4 渗水系数

对不同玄武岩纤维掺量下的复合改性透水沥青混合料分别制作成不同油石比的车辙板试件.采用变水头测试方法，测量水面从 100 mL下降到500 mL所需要的时间计算渗水系数[16]，试验结果如图8所示.

结果表明：随玄武岩纤维掺量增加，渗水系数增大，但增大幅度较小；且随着油石比的增大，3种掺配比下的复合改性透水沥青混合料渗水系数呈现逐渐靠近的趋势.说明油石比越大，玄武岩纤维掺量的大小对混合料渗水系数的影响越小.

图8 渗水系数试验结果

4 结 论

(1) 适量的玄武岩纤维可以提高季冻区透水沥青路面的低温性能和水稳定性能.

(2) 基于预估空隙率及配合比设计结果，随着玄武岩纤维掺量的增加[(12 %，0)、(12 %，1 %)、(12 %，2 %)]复合改性透水沥青混合料的最佳沥青用量减小，分别为5.2 %、5.1 %、5.0 %.

(3) 根据复合改性透水沥青混合料路用性能试验对比分析结果，(12 %,2 %)复合改性透水沥青混合料在油石比为5.1 %时动稳定度最大，高温性能最好；(12 %,1 %)复合改性透水沥青混合料在油石比大于等于5.5 %时，低温性能和水稳定性较好；玄武岩纤维掺量对混合料渗水系数的影响较小.在东北季冻区应用复合改性透水路面时，推荐高黏改性剂的掺量为12 %，玄武岩纤维的掺量为1 %,油石比为5.5 %.